本文關(guān)鍵詞： 超材料 異常透射 導(dǎo)電薄膜 相干完美吸收 減反　出處：《蘇州大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近些年來,人工超材料及超表面的研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。通過設(shè)計不同的超材料及超表面結(jié)構(gòu),人們可以實現(xiàn)對電磁波的自由操控。本文主要從三個方面,包括電磁波的透射調(diào)控、吸收調(diào)控以及反射調(diào)控加以論述。具體內(nèi)容如下:一、微波超材料的電磁透明現(xiàn)象。通過兩類人工電磁超材料的設(shè)計,我們實現(xiàn)了對電磁信號的透射調(diào)控。一類設(shè)計是通過將兩塊刻有深亞波長狹縫陣列的金屬板層疊來實現(xiàn)電磁波的異常透射(EOT)現(xiàn)象。對于這樣的現(xiàn)象,我們分別從微觀LC共振電路模型和宏觀有效介質(zhì)理論模型兩個不同的角度給予了相應(yīng)的物理解釋。另一類設(shè)計是利用層疊的平行金屬片來實現(xiàn)TM波在一系列類法布里-珀羅(FP)共振頻率處的完美透射。通過研究發(fā)現(xiàn),此類結(jié)構(gòu)可以幫助設(shè)計各種多頻帶工作的變換光學(xué)器件,其原理是電磁波在縫的長度方向上形成類FP共振,在合適的透射頻率位置處,經(jīng)過器件內(nèi)部的電磁波可以同器件外自由傳播的電磁波的相位重新匹配起來。二、基于透明導(dǎo)電薄膜的電阻性超表面的電磁吸收。導(dǎo)電薄膜能通過自由載流子吸收(歐姆損耗)機制在深亞波長空間尺度上耗散電磁波,因此,也被稱為電阻性超表面(或ohmic sheet)。根據(jù)調(diào)控需要,其表面阻抗(即方塊電阻)可以設(shè)計為均勻的或者是空間漸變的。通過在微波頻率范圍研究超薄導(dǎo)電膜的吸收特性發(fā)現(xiàn),如果我們讓薄膜的方塊電阻值滿足某種阻抗匹配條件,就可以實現(xiàn)50%的吸收極限。要想打破這樣的吸收極限,可以借助于相干完美吸收(CPA)的概念。實驗上,我們讓兩束同振幅、同相位、同極化方向的電磁波相對照射到方阻為180Ω的透明導(dǎo)電薄膜樣品上,從而實現(xiàn)了在6-18GHz范圍內(nèi)與頻率無關(guān)的近乎完美(~100%)吸收特性。需要特別指出的是,實驗中導(dǎo)電薄膜的厚度遠遠小于波長,大約為λ/10000甚至更薄。同樣還是借助于相干照射的方法,我們在實驗上實現(xiàn)了單原子層石墨烯的完美電磁吸收。利用相干照射的波導(dǎo)系統(tǒng),未經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的單原子層石墨烯在整個X波段(7-13GHz)范圍內(nèi)吸收均可達到94%以上,并且在約8.3GHz頻率下實現(xiàn)了大于99%的近乎完美吸收。此外,我們還從實驗和數(shù)值上證明了相干完美吸收可以在單束電磁波照射的情況下實現(xiàn)。我們提出在新的CPA系統(tǒng)裝置中用一個完美磁導(dǎo)體(PMC)表面作為一個鏡像邊界來取代兩束電磁波的相對照射。而這樣的PMC表面實際上可以利用高阻抗表面,比如蘑菇結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。然后通過將一片方塊電阻值為377Ω的透明導(dǎo)電膜放在PMC表面前邊就可以實現(xiàn)單束電磁波照射下的相干完美吸收。盡管等效的CPA裝置表現(xiàn)出來的是單頻或者窄頻帶的電磁吸收特性,但這樣的PMC表面弱化了先前兩束電磁波相對照射的條件。三、利用電阻性超表面(透明導(dǎo)電薄膜)的減反研究。理論上提出了一類深亞波長尺度下減反射涂層的設(shè)計,在這樣的涂層內(nèi)部滿足了電場或磁場的切向分量連續(xù)。我們的理論模型給出了超薄減反涂層的有關(guān)參量,這就意味著各種類型的媒介包括導(dǎo)電薄膜、增益材料和零折射率材料在滿足一定條件時均可實現(xiàn)減反特性。特別的是,我們發(fā)現(xiàn)在射頻及微波頻率下超薄導(dǎo)電薄膜更加適合用作減反膜,并且在實驗上也證明了這樣的超薄導(dǎo)電膜(λ/10000)可以實現(xiàn)寬帶(5-17GHz)、寬角度以及偏振無關(guān)的減反射特性。對于不同的襯底,可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電薄膜的厚度和電導(dǎo)率來滿足減小反射的條件。有趣的是,當(dāng)加上這樣的涂層后,原本介質(zhì)板中的FP共振就可以被消除,進而表現(xiàn)出了與頻率及厚度無關(guān)的反射和透射特性。這樣的特性可以用來改善帶有介質(zhì)外殼的天線輻射圖案。我們還進一步在理論上指出10-25nm的Ti薄膜可以在紅外頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)寬帶、寬角度以及偏振無關(guān)的性質(zhì)。
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【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O441.4;TB34
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本文編號：1531946